退火和正火

退火与正火主要是用于消除铸造、锻造、焊接等热加工过程中产生的某些缺陷，为随后的切削加工或最终热处理做组织上的准备。退火与正火一般安排在铸造、锻造、焊接之后，粗加工之前，属于钢的预先热处理；对于某些性能要求不高的零件，退火与正火也可作为最终热处理，处理后直接使用。

退火或正火的主要目的及作用主要有如下几点。

（1）降低或调整钢件硬度，提高塑性，以利于随后的切削加工或塑性变形加工 （冲压、拉拔等）。铸造、锻造、焊接等热加工工件，由于冷却速度较快，一般硬度较高，不易切削加工，退火或正火后可降低硬度。

（2）消除残余应力，以稳定钢件尺寸并防止其变形和开裂。退火或正火可消除铸造、锻造、焊接等工件的残余内应力，稳定工件尺寸并减少淬火时的变形和开裂倾向。

（3）细化晶粒，均匀成分，改善组织，提高钢的力学性能。铸造、锻造、焊接等工件中往往存在晶粒粗大或带状组织等缺陷，退火或正火可使晶粒细化。另外，退火或正火还可消除偏析使成分均匀。晶粒细化及成分的均匀化可提高钢的力学性能，并为最终热处理（淬火、回火等）做组织上的准备。

钢退火及正火加热温度如图5-17所示。

图5-17 钢退火及正火加热温度

退火

退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火做好组织准备。

退火的方法较多，根据加热温度可分为在临界温度以上退火或在临界温度以下退火。前者包括完全退火、均匀化退火、不完全退火和球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。按照冷却方式，退火可分为等温退火和连续冷却退火。

1.完全退火

完全退火是将亚共析钢工件加热到Ac3以上20℃～50℃，保温一定时间，使组织完全奥氏体化后慢慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。它主要用于亚共析钢，其目的是细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度和改善钢的切削加工性。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火，因为低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢加热至Accm以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧度显著降低。

完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较高温度范围内转变为珠光体，从而达到消除内应力、降低硬度和改善切削加工性能的目的。

实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。

完全退火需要的时间很长，尤其是过冷奥氏体比较稳定的合金钢更是如此。如果将奥氏体化后的钢较快地冷至稍低于Ar1温度等温，使奥氏体转变为珠光体，再空冷至室温，则可大大缩短退火时间，这种退火方法叫作等温退火。等温退火适用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢，它不但可以达到和完全退火相同的目的，而且有利于钢件获得均匀的组织和性能。但是对于大截面钢件和大批量钢件和大批量炉料，却难以保证工件内外达到等温温度，故不宜采用等温退火。

完全退火在加热过程中，使钢的组织全部转变为奥氏体，在缓慢冷却后得到铁素体和珠光体的混合物，从而达到降低硬度、细化晶粒、消除内应力的目的。完全退火后的组织接近其平衡组织，可降低钢的硬度，提高加工性能；细化组织，改善力学性能；消除内应力，防止变形和开裂。在机械制造中，完全退火主要用于亚共析钢的锻件、铸件、焊接件等。

【例5-1】 用38Cr Mo Al（中碳合金钢）制造精密机床主轴，为降低锻造毛坯的硬度 （从250HBS左右降到220HBS左右），改善切削加工性，可选用完全退火。其部分工艺过程如下：

2.不完全退火

不完全退火是将钢加热至Ac1～Ac3（亚共析钢）或Ac1～Acm（过共析钢）之间，经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。由于加热至两相区温度，仅使奥氏体发生重结晶，基本上不会改变原先共析铁素体或渗碳体的形态及分布。如果亚共析钢原始组织中的铁素体已均匀细小，只是珠光体片间距小，硬度偏高，内应力较大，那么只要进行不完全退火即可达到降低硬度、消除内应力的目的。由于不完全退火的加热温度低，时间短，因此对于亚共析钢的锻件来说，若其锻造工艺正常，钢的原始组织分布合适，则可采用不完全退火代替完全退火。

不完全退火主要用于过共析钢获得球状珠光体组织，以消除内应力、降低硬度、改善切削加工性，故不完全退火又称球化退火。实际上球化退火是不完全退火的一种。

3.球化退火

球化退火是将过共析钢加热到Ac1以上20℃～30℃，充分保温后随炉缓冷到600℃以下再出炉空冷，以获得球状珠光体的热处理工艺。

球状珠光体组织中，渗碳体呈球状小颗粒均匀分布在铁素体基体上 （图5-18）。球状珠光体同片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂的倾向小。

图5-18 W18Cr4V球化退火组织

球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。主要用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削加工性，并为淬火做组织准备。

过共析钢为层片状珠光体和网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难以进行切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。为此，钢热加工后必须加一道球化退火，使网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体发生球化，得到粒状珠光体。其关键在于奥氏体中要保留大量未溶碳化物质点，并造成奥氏体碳浓度分布的不均匀性。为此，球化退火加热温度一般在Ac1以上20℃～30℃。不高的温度下，保温时间亦不能太长，一般以2～4h为宜。冷却方式通常采用炉冷，或在Ar1以下20℃左右进行较长时间等温。这样可使未溶碳化物粒子和局部高碳区形成碳化物核心并局部聚集球化，得到粒状珠光体组织。

如果加热温度过高（高于Accm）或保温时间过长，则大部分碳化物均已溶解，并形成均匀的奥氏体，在随后缓慢冷却中奥氏体易转变为片状珠光体，球化效果很差。

【例5-2】 用T13钢制造锉刀，为获得球状珠光体，降低锻造毛坯硬度，改善切削加工性，消除毛坯的内应力，通常选用球化退火。其部分工艺过程如下：

完全退火或球化退火所需时间比较长，是一种较费时的工艺。为缩短退火时间，生产中常采用等温退火方法，即将工件加热到高于Ac3（或Ac1）的温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的适当温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类型组织后，出炉在空气中冷却。

图5-19为T12钢一般球化退火与等温球化退火工艺的比较。

图5-19 T12钢一般球化退火与等温球化退火工艺的比较

4.均匀化退火

均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。为使各元素在奥氏体中充分扩散，均匀化退火加热温度很高，通常为Ac3或Acm以上150℃～300℃，具体加热温度视偏析程度和钢种而定。碳钢一般为1100℃～1200℃，合金钢多采用1200℃～1300℃。保温时间也与偏析程度和钢种有关，通常可按最大有效截面，一般均匀化退火时间为10～15h。

由于均匀化退火需要在高温下长时间加热，因此奥氏体晶粒十分粗大，需要再进行一次正常的完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。

均匀化退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。只有一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。

5.去应力退火和再结晶退火

将钢加热到略低于Ac1温度（一般取500℃～600℃），保温一段时间，随炉缓冷至200℃以下出炉空冷的热处理工艺称为去应力退火。去应力退火可消除工件由塑性变形加工、切削加工或焊接造成的应力以及铸件内存在的残余应力。去应力退火过程中，钢的组织不发生变化，只消除内应力。

材料史话

第一次世界大战期间，曾发生了奇特的子弹弹壳裂开事件。军工厂将冲压好的黄铜（H70）弹壳装上弹药和弹头，运往前线。然而，战场上士兵打开弹药箱时却傻了眼，一个个子弹都自动裂开了花，根本无法使用。

是什么原因导致弹壳自动裂开了呢？经材料专家深入研究后发现：黄铜在深度冷冲压成弹壳后，弹壳内存在内应力，在弹药的化学作用下最终导致弹壳自动裂开。搞清楚弹壳裂开的原因后，军工厂将冲压好的黄铜弹壳在250℃下进行退火处理，消除内应力后，再装配弹药和弹头，从此弹壳开裂现象就再没发生了。

去应力退火主要用于消除铸件、锻压件、焊件、切削加工件的残留应力，稳定尺寸，减小变形，对于形状复杂和壁厚不均匀的零件尤为重要。

钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部冷却速度不同造成内外温差会产生残余内应力。这种内应力和后续工艺因素产生的应力叠加，易使工件发生变形和开裂。焊接件焊缝处由于组织不均匀也存在很大的内应力，显著降低焊接接头的强度。为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。除消除内应力外，去应力退火还可降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。

钢的去应力退火加热温度较宽，但不超过Ac1点，一般为500℃～650℃。铸铁件去应力退火温度一般为500℃～550℃，超过550℃容易造成珠光体的石墨化。焊接工件的退火温度一般为500℃～600℃。一些大的焊接构件，难以在加热炉内进行去应力退火，常常采用火焰或工频感应加热局部退火，其退火加热温度一般略高于炉内加热。去应力退火保温时间也要根据工件的截面尺寸和装炉量决定。钢的保温时间为3min／mm，铸铁的保温时间为6min／mm。去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。

有些合金结构钢，由于合金元素的含量高，奥氏体较稳定，在锻、轧后空冷时能形成马氏体或贝氏体，硬度很高，不能切削加工，为了消除应力和降低硬度也可在A1点以下低温退火温度范围进行软化处理，使马氏体或贝氏体在加热过程中发生分解。这种处理实质上就是高温回火。

再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺。钢经冷冲、冷轧或冷拉后会产生加工硬化现象，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，切削加工性能和成形性能变差。经过再结晶退火，消除了加工硬化，钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。

【例5-3】 用65Mn钢制造直径为5mm的弹簧，为消除冷卷制和喷丸 （用直径0.3～0.5mm铁丸或玻璃钢珠高速喷射在弹簧表面，以使弹簧表面强化的工艺）过程中产生的内应力，通常选用去应力退火。其工艺过程如下：

正火

正火是指将亚共析钢加热到Ac3以上30℃～50℃，过共析钢加热到Accm以上30℃～50℃，使钢完全奥氏体化，保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。

正火的目的与退火相同，但与退火相比，冷却速度稍快，所得到的组织比较细小，强度、硬度、韧性等比退火高一些，而且操作简单，生产周期短，成本低，因此在生产上应用很广。如表5-6为45钢退火和正火后力学性能比较。另外，正火生产周期短，生产效率高，成本低，生产中一般优先采用正火工艺。

表5-6 45钢退火及正火后力学性能比较

通常正火主要应用于以下几个方面。

1.改善低碳钢、中碳钢的切削加工性

【例5-4】 用45钢制造普通车床主轴，为降低硬度，改善切削加工性，调整组织，消除锻造内应力通常选用正火。其部分工艺过程如下：

2.作为普通结构零件的最终热处理

【例5-5】 某工厂用45钢制造小型电机主轴，因对力学性能要求不高，该厂选用正火作为最终热处理。其工艺过程如下：

3.消除过共析钢中网状渗碳体，改善钢的力学性能

过共析钢中有网状渗碳体存在时，不仅硬度高，难以进行切削加工，而且钢的脆性大，淬火时容易变形及开裂。因此，钢在热处理时应防止产生网状渗碳体组织。

【例5-6】 一含有网状渗碳体组织的T10钢毛坯，为改善其切削加工性能，应如何进行热处理？

请简述所进行的热处理的作用。

解：（1）正火，消除网状渗碳体。

（2）退火，降低硬度，改善切削加工性。

钢的各种退火与正火加热温度范围如图5-17所示，热处理工艺曲线如图5-20所示。

图5-20 钢退火及正火工艺曲线

退火与正火的选择

退火与正火的目的大致相同，在实际选用中要从以下三个方面进行考虑。

1.从切削加工性考虑

一般来说，金属材料硬度在170～230HBS范围内切削性能良好。图5-21为各种碳钢退火和正火后的大致硬度值，其中，阴影部分为切削加工性较好的硬度范围。

图5-21 碳钢退火和正火后的大致硬度值

1—正火；2—退火；3—球化退火

交流与讨论

从切削加工性考虑：

低碳钢、中碳钢选用__________火；

高碳钢宜选用__________火。

2.从使用性能上考虑

对于亚共析钢来说，正火处理比退火处理具有更好的力学性能，如果零件性能无要求，可用正火作为最终热处理。但当零件形状复杂，正火的冷却速度较快，有形成裂纹危险时，则采用退火处理。

3.从经济上考虑

正火比退火的生产周期短，成本低，操作方便。故在可能条件下，应优先考虑采用正火。

练习与实践

一、填空题

1.正火的冷却速度比退火__________ （慢、快），故正火钢的组织较__________ （细、粗），它的强度、硬度比退火钢__________ （低、高）。

2.填空：

续表

二、选择题

1.正火是将工件加热到Ac3或Accm以上30℃～50℃，保温一定时间，然后采用（ ）。

A.随炉冷却 B.油中冷却 C.空气中冷却

2.完全退火主要适用于 （ ）。

A.亚共析钢 B.共析钢 C.过共析钢

3.为改善20钢的切削加工性能，通常选用的热处理是 （ ）。

A.完全退火 B.球化退火 C.去应力退火 D.正火

4.为改善T12钢的切削加工性能，通常选用的热处理是 （ ）。

A.完全退火 B.球化退火 C.去应力退火 D.正火

5.45钢退火与正火后的强度关系是 （ ）。

A.退火＞正火 B.退火＜正火 C.退火＝正火

三、判断题 （下列说法你认为对的打√，错的打×）

1.完全退火是将工件加热到Accm以上30℃～50℃，保温一定的时间后，随炉缓慢冷却的一种热处理工艺。 （ ）

2.正火比退火冷却速度快，组织较细，强度、硬度高。 （ ）

3.过共析钢不宜进行完全退火。 （ ）

4.为降低硬度，改善切削加工性，低碳钢、中碳钢在锻造后都应采用正火处理。（ ）

5.过共析钢常用球化退火来消除网状渗碳体。 （ ）

四、简述与实践题

1.某工厂用T10钢制造丝锥，其工艺路线为：下料→锻造→球化退火→切削加工→淬火→低温回火→切削加工，试分析工艺路线中球化退火的作用。

2.某工厂用70钢制造小弹簧，其工艺路线为：下料→冷卷制→喷丸→去应力退火，试分析工艺路线中去应力退火的主要作用。